СВЧ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТОДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ТОЛЩИНЫ СПИНОВЫХ ПОКРЫТИЙ НА МЕТАЛЛЕ Российский патент 2005 года по МПК G01B15/02 G01R27/26 

Предлагаемое изобретение относится к способам измерения диэлектрической и магнитной проницаемостей, а также толщины спиновых покрытий на поверхности металла и может быть использовано при контроле состава и свойств жидких и твердых сред в химической и других отраслях промышленности.

Известен способ определения толщины покрытий на изделиях из ферромагнитных материалов, в основу которого положен пондероматорный принцип (см. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под. ред. В.В.Клюева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. С.58).

Этот способ обладает следующими недостатками: не позволяет быстродействующего сканирования больших поверхностей и нечувствителен к изменению диэлектрической и магнитной проницаемости.

Известен способ определения свойств контролируемого материала с использованием двухэлектродных или трехэлектродных емкостных преобразователей (см. Бугров А.В. Высокочастотные емкостные преобразователи и приборы контроля качества. - М.: Машиностроение, 1982. С.44). В общем случае свойства преобразователя зависят как от размеров, конфигурации и взаимного расположения электродов, так и от формы, электрофизических свойств контролируемого материала и его расположения по отношению к электродам.

Недостатками такого способа являются: невозможность быстродействующего сканирования больших поверхностей, отсутствие возможности измерения магнитной проницаемости, и зависимость точности измерения толщины диэлектрического покрытия от вариации диэлектрической проницаемости.

Известен способ определения толщины диэлектрических покрытий на электропроводящей основе (см. Приборы для неразрушающего контроля

материалов и изделий. Справочник под. ред. В.В.Клюева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. С.120-125), взятый нами за прототип, заключающийся в создании вихревых токов в электропроводящей подложке и последующей регистрации комплексных напряжений V или сопротивлений Z вихретокового преобразователя как функции электропроводности подложки и величины зазора между преобразователем и подложкой.

Недостатками данного способа являются: зависимость точности измерения толщины покрытия от зазора между преобразователем и подложкой, отсутствие возможности измерения диэлектрической и магнитной проницаемости покрытия, высокая чувствительность к изменению параметров подложки (удельной электропроводности и магнитной проницаемости) и малое быстродействие сканирования больших поверхностей.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения толщины покрытия b, а также расширение функциональных возможностей (дополнительное определение диэлектрической ε и магнитной μ проницаемостей).

Сущность изобретения состоит в том, что в способе определения толщины диэлектрических покрытий на электропроводящей основе, заключающемся в создании электромагнитного поля в объеме контролируемого диэлектрического материала на электропроводящей подложке и последующей регистрации изменения параметров преобразователя, характеризующих высокочастотное поле, последовательно возбуждают медленные поверхностные волны: две E-волны на разных, но близких длинах волн λ_Г1, λ_Г2 и одну Н-волну с длиной λ_Г3, с помощью системы приемных вибраторов при разных значениях базы d между ними измеряют напряженность поля E₀ над диэлектрическим покрытием на расстоянии y₀ и Е(y) на расстоянии у в нормальной плоскости относительно направления распространения волны, рассчитывают коэффициенты нормального затухания поверхностных медленных волн α_Е1, α_Е2, α_Н из выражения Е(y)=Е₀еxр[-а(y)·y] и определяют магнитную μ и диэлектрическую ε проницаемости и толщину b магнитодиэлектрического покрытия из формул:

где β₃= - коэффициент фазы H - волны.

Сущность предлагаемого способа измерения магнитодиэлекрических параметров и толщины спиновых покрытий на металле поясняется следующим (чертеж). С помощью устройства возбуждения медленных поверхностных волн (рупор) 1 вдоль диэлектрического покрытия 3 на электропроводящей металлической подложке 2 последовательно возбуждают медленные поверхностные волны: две Е-волны на разных, но близких длинах волн λ_Г1, λ_Г2 и одну Н-волну с длиной λ_Г3 С помощью системы приемных вибраторов 4 при разных значениях базы d=y-y₀=Δy между ними измеряют напряженность поля Е₀ над диэлектрическим покрытием на расстоянии y₀ и Е(y) на расстоянии y в нормальной плоскости относительно направления распространения для каждого типа волн. Условием пренебрежения влияния геометрического и электрофизического градиента исследуемого слоя является измерение при малом значении базы d между приемными вибраторами (чертеж) и на малой высоте у₀.

При этом коэффициенты нормального затухания α_E1, α_E2, α_H рассчитывают из выражения Е(y)=e₀ ехр[-α(y)·y], считая α(y)=α=const.

Решают систему уравнений:

и определяют магнитную проницаемость μ, диэлектрическую проницаемость ε и толщину b магнитодиэлектрического покрытия.

Аналитическое решение системы трансцендентных уравнений (1)...(3) при условии, что параметр записывается в виде системы арифметических уравнений:

Решение системы уравнений (1)...(3) или (4)...(6), дает значения локализованных величин ε, μ и b.

Переводят приемные вибраторы в другую точку исследуемой поверхности, делая шаг, пропорциональный значению градиента коэффициента затухания, и повторяют предыдущий измерительно-вычислительный алгоритм.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет наряду с определением толщины определять диэлектрическую и магнитную проницаемости покрытия. А так как измерения относительные и не зависят от расстояния вибраторов от поверхности, то не требуется специальных мер отстройки от зазора, что повышает точность и дает возможность быстрого сканирования поверхности без перемещения возбудителя поверхностных волн. На результат измерений не сказывается также изменение удельной электропроводности и магнитной проницаемости подложки, так как глубина проникновения электромагнитной волны в глубь проводящей подложки составляет доли микрон (например, для меди), что значительно (на несколько порядков) меньше измеряемой толщины.

Изобретение относится к измерениям диэлектрической и магнитной проницаемостей, а также толщины спиновых покрытий на поверхности металла и может быть использовано при контроле состава и свойств жидких и твердых сред в химической и других отраслях промышленности. Способ заключается в создании электромагнитного поля в объеме контролируемого диэлектрического материала на электропроводящей подложке, последовательном возбуждении медленных поверхностных волн: двух Е-волн на разных, но близких длинах волн λ_Г1, λ_Г2 и одной Н-волны с длиной λ_Г3, измерении затухания напряженности поля в нормальной плоскости относительно направления распространения волны с помощью системы приемных вибраторов при разных значениях базы d между ними и рассчете коэффициентов нормального затухания αЕ₁, αE₂, α_Н из выражения Е(y)=Е₀ ехр[-α(y)·y] и определении магнитной и диэлектрической проницаемости и толщины магнитодиэлектрического покрытия из формул:

где - коэффициент фазы H-волны. 1 ил.

СВЧ способ измерения магнитодиэлекрических параметров и толщины спиновых покрытий на металле, заключающийся в создании электромагнитного поля в объеме контролируемого диэлектрического материала на электропроводящей основе и последующей регистрации изменения параметров преобразователя, характеризующих высокочастотное поле, отличающийся тем, что последовательно возбуждают медленные поверхностные волны: две Е-волны на разных, но близких длинах волн λ_Г1, λ_Г2 и одну Н-волну с длиной λ_Г3, с помощью системы приемных вибраторов при разных значениях базы d между ними измеряют напряженность поля Е₀ над диэлектрическим покрытием на расстоянии y₀ и Е(y) на расстоянии у в нормальной плоскости относительно направления распространения волны, рассчитывают коэффициенты нормального затухания поверхностных медленных волн α_E1, α_E2, α_Н из выражения Е(y)=Е₀ехр[-α(y)·y] и определяют магнитную μ и диэлектрическую ε проницаемости и толщину b магнитодиэлектрического покрытия из формул:

где - коэффициент фазы H -волны.